震區(qū)泥石流對線路工程的危害及防災(zāi)對策研究

劉翠容,姚令侃，杜 翠

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都，610031)

泥石流對山區(qū)鐵路公路危害十分嚴(yán)重。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國西部山區(qū)的幾大交通干線公路(川藏公路、中尼公路、甘川公路等)有泥石流災(zāi)害3 600余處；全國鐵路沿線共有泥石流溝1 509條,其中西部地區(qū)有1 089條,占70%。1949年以來，我國曾先后發(fā)生過300余起中斷行車的重大泥石流災(zāi)害,列車出軌和顛覆的事故10余起,100人以上的特大傷亡事故2起,累計(jì)中斷行車8 000 h[1-5]。

汶川地震以來，震區(qū)泥石流災(zāi)害較震前明顯增大，最新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，地震重災(zāi)區(qū)新增泥石流溝967條，共有1 000余處泥石流發(fā)生，成為雨季對地震災(zāi)區(qū)影響和威脅最大的災(zāi)害類型。震后泥石流活動與震前相比，具有規(guī)模大、速度快、高容重、攜帶大量巨石等新特點(diǎn)[6]，正是由于震后泥石流具有這些新特點(diǎn)使得泥石流對災(zāi)區(qū)線路工程造成了更為嚴(yán)重的災(zāi)害。筆者擬通過研究泥石流損毀都汶公路、省道302、在建都汶高速公路等線路的典型實(shí)例，歸納出泥石流對線路工程的危害特點(diǎn)及模式，針對堵塞主河對線路工程造成的危害提出防災(zāi)模式。

1 震后災(zāi)區(qū)泥石流對線路工程的危害模式

1.1 典型實(shí)例

在汶川地震震后的幾個(gè)汛期，岷江流域映秀—汶川段大多數(shù)溝道多次暴發(fā)了規(guī)模和危害均較大的泥石流，對作為抗震救災(zāi)生命線之一的國道213線(都汶二級公路)和在建的都汶高速公路造成了嚴(yán)重的危害。如位于都汶公路路基正上方的燒房溝，該溝每逢較大量降雨必發(fā)泥石流，掩埋路基，中斷交通。2010年8月14日，映秀普降暴雨，燒房溝發(fā)生特大泥石流，泥石流堆積物掩埋明洞，并進(jìn)入岷江，幾乎堵斷岷江。又如磨子溝，磨子溝在震后兩年多時(shí)間內(nèi)發(fā)生泥石流近20次，沖毀跨越該溝口的213國道橋梁，淤埋213國道長度約80 m，沖出的最大石塊直徑達(dá)3.5 m。泥石流堵塞岷江干流，累計(jì)堵塞壩高約20 m，最長完全堵斷岷江時(shí)間約15 min，堵塞后的回水淹沒了上游近千米道路。筆者通過現(xiàn)場調(diào)查和查閱文獻(xiàn)收集了典型實(shí)例，列于表1。

表1震后泥石流破壞線路工程的典型實(shí)例

Table1Typicalcaseofdamagingtohighwaysalongriverscausedbydebrisflowafterearthquake

1.2 泥石流對線路工程的危害模式

通過對震后泥石流破壞線路工程實(shí)例的研究，歸納出其危害的模式及特點(diǎn)如下。

1.2.1 掩埋或淤積危害

掩埋和淤積危害發(fā)生在泥石流堆積區(qū)，是最為普遍的危害方式，屬于直接危害。泥石流出溝后，由于地形開闊，溝床平緩，泥石流速度減小逐漸堆積形成堆積體，淤埋或堵塞通過該區(qū)域的路基、橋涵和隧洞，中斷交通。表1中老街村1、2號泥石流溝，老虎嘴上、下游泥石流溝、麻柳灣溝泥石流屬于這種危害方式。

1.2.2 沖擊危害

沖擊危害主要發(fā)生在沖溝型泥石流的流通區(qū)，屬于直接危害。當(dāng)攜帶巨大漂礫的泥石流高速運(yùn)動時(shí)，直接沖擊線路建筑物，兩者產(chǎn)生強(qiáng)烈碰撞，當(dāng)沖擊力大于建筑物承受力時(shí)，建筑物即被破壞。表1中太平溝橋部分已建的橋墩有蜂窩狀撞痕，其中左線1 #、2 #橋墩靠近地系梁位置墩柱局部箍筋外露就是受泥石流及其中的大漂礫沖擊而產(chǎn)生的。

1.2.3 沖刷危害

沖刷危害主要發(fā)生在沖溝型泥石流的流通區(qū)，屬于直接危害。一次泥石流下蝕溝床可從幾米到幾十米不等，泥石流下蝕溝床掏空橋梁墩臺和護(hù)岸基礎(chǔ)，造成過溝建筑物和防護(hù)工程毀壞。表1中清水溝泥石流淘蝕兩側(cè)的松散堆積體，致使已修筑完成的涵洞被毀。

1.2.4 堵塞主河危害

堵塞主河造成的危害屬于間接危害，又分為以下3種：

1)淹沒危害。特大型或大型泥石流暴發(fā)時(shí)，泥石流在極短的時(shí)間內(nèi)大量進(jìn)入主河，可將主河立即堵塞或全部堵斷，使原河床迅速抬升，引起路線標(biāo)高相對下降，或者形成堰塞湖，使上游河水迅速上漲淹沒上游沿岸線路。表1中燒房溝、磨子溝、銀杏幸福溝、竹包頭溝、肖家溝、蟹子溝泥石流等屬于這類方式，這是最為嚴(yán)重的危害方式。

2)下游沖刷危害。特大型或大型泥石流暴發(fā)時(shí)，泥石流在極短的時(shí)間內(nèi)大量進(jìn)入主河，可將主河立即堵塞或全部堵斷，堵塞體潰決后洪水侵蝕泥沙形成泥石流或高含沙水流,沖刷下游兩岸道路，導(dǎo)致路基失穩(wěn)，路面損壞等災(zāi)害。表1中竹包頭溝泥石流屬于這類方式，這是最為嚴(yán)重的危害方式。

3)異岸沖刷危害。特大型或大型泥石流暴發(fā)時(shí)，泥石流在極短的時(shí)間內(nèi)大量進(jìn)入主河，堰塞體將主河嚴(yán)重阻塞，將主河水流推移或改道，主槽擺向異岸時(shí)，將對異岸產(chǎn)生強(qiáng)烈沖刷，危及異岸線路建筑物。表1中楊家溝、羅圈灣溝泥石流屬于這類方式，這也是災(zāi)害較為嚴(yán)重的危害方式。

2 已有堵河型泥石流防治模式分析

2.1 堵河型泥石流防治對策

結(jié)合泥石流的堵河可能性和堵河程度的判別, 危險(xiǎn)區(qū)的劃分和道路等級特征，陳寧生，等[7]建立了堵河型泥石流防治模式：對既有線路或?qū)嵲跓o法繞避的新線路采用以源頭主動減災(zāi)和攔擋為主的綜合防治模式防治泥石流；源頭采用谷坊和生物工程等主動減災(zāi)方法削減泥石流流量，控制泥石流規(guī)模；在流通區(qū)一定的溝段修建攔沙壩或谷坊工程，攔擋泥石流的粗大顆粒和木料；在堆積區(qū)排導(dǎo)的過程中, 支溝主流線與主河的夾角取銳夾角，排導(dǎo)槽出口高于主河常遇洪水位，排導(dǎo)的“喇叭口”基礎(chǔ)宜嵌入一定深度的溝床下部(通常1～2 m)，出口排導(dǎo)縱坡不宜太小，以8%以上為佳。

該泥石流防治模式只注重了工程防治的作用，忽略了發(fā)揮主河對泥沙的容納能力而分擔(dān)消耗泥石流物質(zhì)，難以滿足汶川地震區(qū)大規(guī)模泥石流的防治需求。

2.2 泥石流防治規(guī)劃設(shè)計(jì)原理

陳曉清，等[8]提出了主河輸移控制型泥石流防治規(guī)劃設(shè)計(jì)原理，其主要技術(shù)思想是：最大限度利用主河輸移能力，體現(xiàn)以疏為主的理念，根據(jù)主河輸移能力確定通過排導(dǎo)工程可以向主河排泄泥石流的峰值流量。

主河輸移控制型的泥石流防治規(guī)劃設(shè)計(jì)原理以主河輸沙能力作為控制條件，將泥石流的洪峰流量優(yōu)先分配給排導(dǎo)工程，然后分配給攔擋工程或者停淤工程，最后由停淤工程或者攔擋工程承擔(dān)剩余部分，各類工程合理分擔(dān)泥石流洪峰量，實(shí)現(xiàn)工程防治體系的科學(xué)、合理規(guī)劃。確定主河的輸移能力是本項(xiàng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵。陳曉采用何易平[9]提出的泥石流完全堵塞主河的流量判別式，先確定堵斷主河的泥石流流量，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)泥石流排導(dǎo)工程可以向主河排泄泥石流的峰值流量。

但是，何易平提出的泥石流完全堵塞主河的流量判別式有其局限性，適用于一次性泥石流活動堵斷主河事件，沒有考慮堵河過程中主河的水力條件的改變，沒有考慮局部阻塞主河的情況；僅考慮了堵斷主河的泥石流流量需求，沒有考慮堵河的泥石流總量的需求。實(shí)際上，泥石流局部堵塞大河也能形成堰塞湖災(zāi)害，甚至造成異岸沖刷災(zāi)害，且泥石流總量對泥石流堵塞大河具有極大的作用，堵河必須考慮總量的需求[10]。

3 泥石流堵塞主河的防災(zāi)措施探討

3.1 泥石流堵塞主河的防災(zāi)對策

泥石流對線路工程的危害程度是由泥石流的性質(zhì)、支溝泥石流與主河相互作用關(guān)系、泥石流與道路的空間位置和危險(xiǎn)性綜合特征決定的，在泥石流形成機(jī)理研究、泥石流與主河相互關(guān)系、泥石流工程防治參數(shù)計(jì)算理論與方法、泥石流危險(xiǎn)度區(qū)劃的理論與方法研究的基礎(chǔ)上，建立針對不同危害模式的泥石流防治模式。由筆者現(xiàn)場調(diào)查資料可知，泥石流大量入?yún)R主河后，泥沙淤積形成堰塞壩束窄河床導(dǎo)致上游水位壅高形成淹沒災(zāi)害，當(dāng)堰塞壩嚴(yán)重堵塞主河時(shí)除了形成淹沒災(zāi)害，還會迫使主河水流改道沖刷異岸導(dǎo)致異岸線路工程的損毀。故泥石流堵塞主河這種致災(zāi)模式往往對沿河線路工程造成嚴(yán)重的后果，筆者針對此危害模式進(jìn)行討論，制定泥石流防災(zāi)措施：

1)對汶川地震4.0級以上烈度區(qū)道路附近的大泥石流溝谷進(jìn)行排查，劃分泥石流溝危險(xiǎn)度。

2)對危險(xiǎn)度高的泥石流溝，預(yù)測泥石流的各種參數(shù)(包括泥石流容重、規(guī)模、速度、流量總量等)和主河的參數(shù)(包括水流速度、河寬和水深等)，確定泥石流與線路工程、主河的空間位置等情況。

3)根據(jù)預(yù)測的泥石流和主河的各種參數(shù)，由堵河判別式(1)預(yù)估堵河的堵塞系數(shù)R[10]。

(1)

式中：R為堵塞系數(shù)；γs為泥石流容重；v為泥石流流速；q為泥石流流量；u為主河流速；Q為主河流量；Vs為泥石流入?yún)R總量；V0=b×B×H(b為泥石流溝的寬度；B為主河寬度；H為主河水深)。

4)根據(jù)文獻(xiàn)[11]提出的泥石流堵河災(zāi)害效應(yīng)與判據(jù)框圖預(yù)測堵河的災(zāi)害效應(yīng)。若R<0.6，一般不會發(fā)生災(zāi)害；若0.6

5)根據(jù)預(yù)測的災(zāi)害效應(yīng)，采用相應(yīng)的防災(zāi)減災(zāi)措施。若僅有淹沒災(zāi)害，對于新建線路工程，可考慮適當(dāng)提高淹沒范圍內(nèi)的線路工程設(shè)計(jì)高程，若還有沖刷異岸線路災(zāi)害，則除了對異岸新建或已有線路工程采取工程加固或是工程防護(hù)措施以外，主要需結(jié)合泥石流排導(dǎo)、停淤工程或者攔擋工程進(jìn)行工程防治。

6)合理優(yōu)化配置、設(shè)計(jì)泥石流排導(dǎo)、停淤工程或者攔擋工程。設(shè)計(jì)泥石流排導(dǎo)、停淤工程或者攔擋工程時(shí)，借鑒陳曉清，等的研究成果，最大限度利用主河輸移和容納泥沙的能力，控制泥石流入?yún)R主河的洪峰流量和總量。

泥石流入?yún)R主河的允許洪峰流量按照文獻(xiàn)[8]的方法計(jì)算，即采用何易平[9]提出的泥石流完全堵塞主河的流量判別式，推導(dǎo)泥石流排導(dǎo)工程可以向主河排泄泥石流的峰值流量。

依據(jù)泥石流堵河對總量的要求，從泥石流總量的角度確定通過排導(dǎo)工程可以向主河排泄的泥石流總量，即主河最大容納泥沙的能力。這里，主河最大容納泥沙能力是指堰塞壩堵塞主河不會造成災(zāi)害時(shí)的泥石流最大允許入?yún)R總量。

3.2 主河最大容納泥沙能力的確定

如何確定主河最大容納泥沙能力是合理優(yōu)化設(shè)計(jì)3種工程防治措施的關(guān)鍵所在，筆者根據(jù)上游水位壅高值計(jì)算式[10]和異岸受災(zāi)判據(jù)[11]，提出了其確定方法如下。

1)根據(jù)道路與主河的空間位置以及某一頻率的主河洪水位，確定泥石流堵塞主河后不發(fā)生淹沒災(zāi)害所允許的最大壅高值Zmax。由泥石流堰塞壩束窄主河后引起的水位壅高值計(jì)算公式(2)反算河床過水面積束窄度MA：

(2)

式中：MA=Ae/Ap為河床過水面積束窄度(AP，Ae分別為原河道過水面積及堰塞壩占據(jù)的過水面積)；α為綜合修正系數(shù)，α=0.01+0.056MA；v為下游河道的流速。

2)把河床過水面積束窄度MA換算成堵塞系數(shù)R1(堰塞壩垂直水流方向的寬度與主河寬度的比值)。R1就是泥石流堰塞壩堵塞主河不發(fā)生淹沒災(zāi)害的最大值，而依據(jù)異岸受災(zāi)判據(jù)[11]，當(dāng)R2>0.8時(shí)發(fā)生異岸受災(zāi)(R2是發(fā)生異常突變的臨界值)，取min{R1,R2}為主河的最大允許堵塞系數(shù)R允許。

3)把主河允許堵塞系數(shù)R允許帶入式(1)中，反算出泥石流允許入?yún)R總量[Vs]，即主河最大容納泥沙能力。

4 結(jié) 論

1)研究震區(qū)泥石流損毀線路工程的現(xiàn)場調(diào)查資料，提出了泥石流損毀線路工程具有掩埋與淤積、沖刷、沖擊和堵塞主河導(dǎo)致災(zāi)害4種模式。泥石流堵塞主河形成堰塞壩造成堰塞湖淹沒災(zāi)害或者迫使主河水流改道沖刷異岸導(dǎo)致異岸線路工程的損毀，屬于泥石流間接危害模式，造成的損失往往較嚴(yán)重，比直接危害更難防范。

2)對于泥石流堵塞主河造成嚴(yán)重間接危害模式，防災(zāi)對策的技術(shù)思路是：最大限度利用主河輸移和容納泥沙的能力，控制泥石流入?yún)R主河的洪峰流量和總量，防止泥石流堵塞主河事件的發(fā)生。對于某一泥石流溝，其具體做法是：確定泥石流通過排導(dǎo)工程可以向主河排泄泥石流總量，由堵斷主河流量判別式導(dǎo)出泥石流通過排導(dǎo)工程可以向主河排泄的泥石流峰值流量，根據(jù)允許泥石流總量和峰值流量值去設(shè)計(jì)排導(dǎo)、攔擋、停淤這3大類工程防治設(shè)施。

[1] 沈壽長,張盟,李福祥.中國鐵路沿線泥石流[C]//泥石流及洪水災(zāi)害防御國際學(xué)術(shù)討論會論文集(A卷).北京:地震出版社,1991.

Shen Shouchang,Zhang Meng,Li Fuxiang.Debris flow along railway in China[C]//Proceedings of International Symposium on Debris Flow and Flood :A.Beijing:Seismological Press,1991.

[2] 王士革,崔鵬,謝洪,等.山區(qū)鐵路建設(shè)中的泥石流災(zāi)害和防治對策[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2000,8(4):400-403.

Wang Shige,Cui Peng,Xie Hong,et al.Hazards of debris flow during the construction of railway in mountains and strategic [J].Journal of Engineering Geology,2000,8(4):400-403

[3] 馬東濤,崔鵬,祁龍,等.西部地區(qū)交通建設(shè)中的泥石流災(zāi)害與防治對策[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2013,11(2):180-185.

Ma Dongtao,Cui Peng,Qi Long,et al.Debris flow hazards along the main traffic lines in western China and measures for their controlling [J].Journal of Engineering Geology,2013,11(2):180-184.

[4] 趙永國.川藏公路泥石流災(zāi)害及其整治對策[J].水土保持學(xué)報(bào),1993,7(1):69-74.

Zhao Yongguo.Debris flow disast ers and their controlling counter measures along the highway from Sichuan to Xizang [J].Journal of Soil and Water Conservation,1993,7(1) :69-74.

[5] 曾思偉,李鴻璉.泥石流地區(qū)公路工程[M].北京:人民交通出版社,1981.

Zeng Siwei,Li Honglian.Highway Engineering in Debris Flow Region [M].Beijing:China Communications Press,1981.

[6] 許強(qiáng).四川省8.13特大泥石流災(zāi)害特點(diǎn)、成因與啟示[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2010,18(5):596-608.

Xu Qiang.The 8.13 catastrophic debris flows in Sichuan province:characteristics,genetic mechanism and suggestions [J].Journal of Engineering Geology,2010,18(5):596-608.

[7] 陳寧生,崔鵬,姚令侃,等.山區(qū)道路泥石流工程防治原則與模式[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2009,20(1):1-5.

Chen Ningsheng,Cui Peng,Yao Lingkan,et al.Engineering modes for prevention and control of debris flows along mountainous roads [J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2009,20(1):1-5.

[8] 陳曉清,崔鵬,游勇,等.汶川地震區(qū)大型泥石流工程防治體系規(guī)劃方法探索[J].水利學(xué)報(bào),2013,44(5):586-593.

Chen Xiaoqing,Cui Peng,You Yong,et al.Layout methods of control works preventing large scale debris flows in Wenchuan earthquake area [J]. Journal of Hydraulic Engineering,2013,44(5):586-593.

[9] 何易平.泥石流對山區(qū)河流河床演變的影響 [D].北京:中國科學(xué)院研究生院,2003:102-107.

He Yiping.Influence of Debris Flow on River Channel Change of Mountains [D].Beijing:Chinese Academy of Science,2003:102-107.

[10] 劉翠容,姚令侃,杜翠,等.震后災(zāi)區(qū)泥石流阻塞大河判據(jù)與成災(zāi)模式試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2013,46(增刊1):146-152.

Liu Cuirong,Yao Lingkan,Du Cui,et al.Experimental research on criteria and disasterforming patterns of damming large river by debris flow in earthquake disaster areas [J].China Civil Engineering Journal,2013,46(S1):146-152.

[11] 劉翠容,姚令侃.泥石流堵塞大河的特點(diǎn)及異岸受災(zāi)判據(jù)研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版,2012,44(5):93-100.

Liu Cuirong,Yao Lingkan.Study on features of riverblocked by debris flow and criterion of disaster at the opposite river bank [J].Journal of Sichuan University:Engineering Science,2012,44(5):93-100.